Badanie i modelowanie zróżnicowania napięć w stosie ogniw paliwowych z polimerową membraną do wymiany protonów

Stos ogniw paliwowych jest elektrochemicznym przetwornikiem energii chemicznej, zgromadzonej w paliwie, w energię elektryczną. Przemiana energii odbywa się za pośrednictwem reakcji paliwa z utleniaczem, podzielonej na dwie reakcje połówkowe przebiegające w różnych przestrzeniach. Dla ogniw paliwowych z polimerową membraną do wymiany protonów (PEM) są to reakcje: oksydacji wodoru przebiegająca na anodzie i redukcji tlenu przebiegająca na katodzie ogniwa. Stos ogniw paliwowych to szeregowe połączenie kilku, kilkudziesięciu a nawet kilkuset cel. W większości przypadków podczas modelowania matematycznego stosu zakłada się, że zarówno cele posiadają identyczne parametry, jak również warunki panujące w każdej celi są takie same. Wówczas modelowanie stosu ogniw paliwowych ogranicza się jedynie do zamodelowania napięcia pojedynczej celi, a uzyskany wynik przemnaża się przez liczbę cel w stosie otrzymując napięcie stosu. W rzeczywistości jednak zarówno parametry poszczególnych cel, jak i warunki panujące w różnych celach są różne. Powoduje to występowanie w stosie zróżnicowania napięć na jego celach, niezależnie od warunków eksploatacyjnych. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dotyczących wpływu zmian natężenia przepływu tlenu przez przedział katody stosu ogniw paliwowych na zróżnicowanie napięć w stosie. Na podstawie przeprowadzonych badań zaproponowano również model z pojedynczym wejściem i pojedynczym wyjściem (SISO), tj. model zróżnicowania napięć w stosie względem natężenia przepływu tlenu przez przedział katody stosu ogniw PEM.

A fuel cells stack is an electrochemical converter of chemical energy, stored in fuel, into electrical energy. The transformation of energy takes place through the reaction of fuel with an oxidant, divided into two half reactions running in different spaces. For fuel cells with a polymer proton exchange membrane (PEM), it is the hydrogen oxidation reaction on the anode and the oxygen reduction reaction on the cathode of the cell. The stack of fuel cells is a serial connection of a few to even hundreds of cells. In most cases, when creating a mathematical model of a stack, it is assumed that both the parameters of individual cells in the stack as well as the working conditions in each cell are not alike. Thus, the modelling of the fuel cells stack is limited only to modelling the voltage of a single cell, and the obtained result is multiplied by the number of cells in the stack, resulting in stack voltage. In fact, both the parameters of the individual cells and the working conditions for different cells are not equal. This causes that the voltage of individual cells in the stack are not uniform for any operating conditions. The article presents the results of the experimental research on the influence of changes in the oxygen flow rate through the cathode channel of the fuel cells stack on the uniformity of voltages on cells in the stack. On the basis of the conducted research, a single input-single output (SISO) model is proposed, i.e. a model of voltage uniformity in the stack in relation to the oxygen flow through the cathode channel of the PEM fuel cells stack.